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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, beispielsweise eine Ölpumpe
und/oder eine Kraftstoffpumpe, mit dessen Hilfe Öl und/oder
Kraftstoff für ein Kraftfahrzeug gefördert werden
kann.
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Aus
EP 1 416 153 B1 ist
eine Hochdruckpumpe bekannt, die als Kraftstoffpumpe Kraftstoff
für ein Common Rail System eines Kraftfahrzeugs fördert
und den Kraftstoff auf einen Druck von ca. 1 000 bis 2 000 bar komprimiert.
Die Hochdruckpumpe weist ein Gehäuse aus Aluminium auf,
in das eine Verdichtereinheit zur Hochdruckverdichtung eingelassen
ist. Die Verdichtereinheit weist einen von einem Excenter angetriebenen
Kolben auf, der in einen Zylinder eines Zylinderkopfes geführt
ist. Das Aluminiumgehäuse weist Sackbohrungen mit einem
Innengewinde auf, mit dessen Hilfe, der aus Stahl hergestellte Zylinderkopf
mit dem Aluminiumgehäuse verschraubt werden kann. Innerhalb
des Gehäuses sind Kanäle vorgesehen, die eine
Zulaufleitung ausbilden, um Kraftstoff von einem Kraftstofftank
zur Verdichtereinheit zu führen. Nach der Verdichtung verlässt
der verdichtende Kraftstoff über eine mit dem Zylinderkopf
verbundene Hochdruckleitung die Verdichtereinheit und wird zu einem
Common Rail System geführt.
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Nachteilig
bei einer derartigen Hochdruckpumpe ist, dass der Verbrauch eines
Kraftfahrzeugs, das eine derartige Hochdruckpumpe verwendet, zu hoch
ist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckpumpe zu schaffen,
mit dessen Hilfe der Verbrauch eines Kraftfahrzeugs reduziert werden
kann.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Hochdruckpumpe zum Fördern
von Öl und/oder Kraftstoff für ein Kraftfahrzeug
weist ein Gehäuse auf, in das zumindest teilweise eine
Verdichtereinheit zur Hochdruckverdichtung angeordnet ist. Mit der
Verdichtereinheit ist eine Zulaufleitung und eine Hochdruckleitung
verbunden. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse
aus einem Kunststoff hergestellt, wobei der Kunststoff für eine
Bauteilfestigkeit oberhalb des Druckes der Zulaufleitung und unterhalb
des Druckes der Hochdruckleitung ausgelegt ist.
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Dadurch,
dass das Gehäuse nicht aus Metall, sondern aus einem Kunststoff
hergestellt ist, kann das Gewicht der Hochdruckpumpe deutlich reduziert
werden. Aufgrund des reduzierten Gewichts der Hochdruckpumpe kann
der Verbrauch eines Kraftfahrzeugs, das eine derartige Hochdruckpumpe verwendet,
reduziert werden, wodurch zusätzlich die CO2-Emissionen
reduziert werden können. Das Kunststoffmaterial des Gehäuses
ist insbesondere lediglich unter Berücksichtigung des Druckes
in der Zulaufleitung kurz vor der Verdichtereinheit ausgelegt. Dadurch
ist es möglich, einen besonders leichten und/oder einen
besonders kostengünstigen Kunststoff für das Gehäuse
auszuwählen. Insbesondere ist lediglich die Verdichtereinheit
und in Strömungsrichtung nachfolgende Bauteile, wie beispielsweise
insbesondere die Hochdruckleitung, für den Druck der Hochdruckleitung
von ca. 1 000 bis 2 000 bar oder noch höheren Drücken
ausgelegt. Die Hochdruckleitung wird hierbei nicht durch den Kunststoff des
Gehäuses ausgebildet, sondern durch ein eigenes Bauteil,
beispielsweise ein Stahlrohr, das außerhalb des Gehäuses
und/oder innerhalb des Gehäuses geführt sein kann.
Durch die Aufteilung des Hochdruckbereichs und des Niederdruckbereichs
auf unterschiedliche Bauteile, ist es möglich, nur für
den Hochdruckbereich besonders druckbeständige Materialien
zu verwenden und für den Niederdruckbereich kostengünstige
und leichte Kunststoffe. Insbesondere ist es möglich, die
Verdichtereinheit und/oder den Zylinderkopf mit der Verdichtereinheit
mit dem Kunststoff des Gehäuses bei der Herstellung des
Gehäuses durch Spritzguss zu umspritzen. Da durch ist es möglich,
eine direkte Verschraubung der Verdichtereinheit mit dem Gehäuse
zu vermeiden und erforderlichenfalls eine indirekte Verschraubung,
beispielsweise mit Hilfe eines in dem Gehäuse eingespritzten Gewindes,
vorzusehen.
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Insbesondere
ist mit dem Gehäuse eine mit der Zulaufleitung verbundene
Vordruckpumpe, insbesondere eine Gerotorpumpe, befestigt, wobei
die Vordruckpumpe ein Vordruckpumpengehäuse aufweist, das
aus einem Kunststoff hergestellt ist, wobei der Kunststoff für
eine Bauteilfestigkeit oberhalb des Druckes der Zulaufleitung und
unterhalb des Druckes der Hochdruckleitung ausgelegt ist. Für
das Vordruckpumpengehäuse kann insbesondere derselbe Kunststoff
verwendet werden, der auch für das Gehäuse der
Hochdruckpumpe verwendet wird. Auch die übrigen Bauteile
der Vordruckpumpe können ganz oder teilweise aus Kunststoff
hergestellt sein. Wenn die Vordruckpumpe beispielsweise als Zahnringpumpe
ausgebildet ist, können beispielsweise das innere Zahnrad
und der äußere Zahnring aus Kunststoff hergestellt
sein. Dadurch können das Gewicht und die Kosten der Hochdruckpumpe
zusätzlich verringert werden.
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Besonders
bevorzugt ist das Gehäuse und/oder das Vordruckpumpengehäuse
aus einem Duroplast und/oder Thermoplast hergestellt, der insbesondere
faserverstärkt ist. Beispielsweise weist das Kunststoffmaterial
des Gehäuses Glasfasern auf, um die mechanische Festigkeit
zu erhöhen. Dadurch lassen sich Kunststoffmaterialien ausbilden
mit einer Biegefestigkeit von 230 MPa ± 10% gemäß ISO 178,
einer Zugfestigkeit von 135 MPa ± 10% gemäß ISO
527 und einer Druckfestigkeit von 360 MPa ± 10%
gemäß ISO 604. Als duroplastische
und/oder thermoplastische Kunststoffe können diese leicht
das Gehäuse beziehungsweise das Vordruckpumpengehäuse
bilden und die Hochdruckkomponenten umspritzen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hochdruckleitung
außerhalb des Gehäuses mit der Verdichtereinheit
verbunden. Die Hochdruckleitung kann beispielsweise über
einen Schraubverschluss mit der Verdichtereinheit sicher befestigt
werden, so dass auch Drücke von 2 000 bar oder noch höhere Drücke
nicht zu Undichtigkeiten führen. Ferner kann die Hochdruckleitung
separat montiert werden, das heißt, zeitlich nach der Herstellung
des Gehäuses. Insbesondere kann für die Verbindung
der Hochdruckleitung mit der Verdichtereinheit eine vergleichbare
Materialpaarung, beispielsweise Stahl/Stahl verwendet werden, so
dass es nicht erforderlich ist, die Hochdruckleitung von dem Gehäuse
umspritzen zu lassen.
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Insbesondere
weist das Gehäuse die Zulaufleitung auf. Die Zulaufleitung
kann durch den Kunststoff des Gehäuses ausgebildet werden.
Die Zuleitung kann bei der Herstellung des Gehäuses durch Spritzguss
bereits berücksichtigt werden oder erst nachträglich,
beispielsweise durch Bohren in dem Gehäuse hergestellt
werden.
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Besonders
bevorzugt weist die Verdichtereinheit einen zumindest teilweise
aus dem Gehäuse herausragenden Zylinderkopf auf, wobei
der Zylinderkopf einen Zylinder aufweist, der aus einem metallischen
Material, insbesondere Stahl, hergestellt ist. Insbesondere ist
der Zylinderkopf aus einem metallischen Material, insbesondere Stahl,
hergestellt. Prinzipiell ist es ausreichend, wenn lediglich der
Zylinder des Zylinderkopfes aus einem Material hergestellt ist,
der den in der Hochdruckleitung auftretenden Drücken widerstehen
kann. In diesem Fall ist die Hochdruckleitung insbesondere direkt
mit dem Zylinder verbunden. Insbesondere, wenn der Zylinderkopf und
der Zylinder einstückig ausgebildet sein sollen, ist der
gesamte Zylinderkopf einschließlich des Zylinders aus einem
metallischen Material, insbesondere Stahl, hergestellt.
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In
dem Fall, dass die Hochdruckpumpe genau eine Verdichtereinheit aufweist,
kann die mit der Verdichtereinheit verbundene Hochdruckleitung direkt
mit einem Rail eines Common Rail Systems verbunden sein. Auch wenn
zwei oder mehr Verdichtereinheiten vorgesehen sind, können
die Verdichtereinheiten über ihre jeweilige Hochdruckleitung
mit dem Rail verbunden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind mindestens zwei Verdichtereinheiten vorgesehen, die jeweils
mit einer Hochdruckleitung verbunden sind, wobei die Hochdruckleitung
außerhalb des Gehäuses über ein Verbindungsstück
mit einer Sammelleitung verbunden sind, wobei die Sammelleitung,
insbesondere zur Verbindung mit einem Common Rail System vorgesehen
ist. Die Hochdruckleitungen können gegebenenfalls über
geeignete Rückschlagventile jeweils mit dem Verbindungsstück,
beispielsweise über eine Schraubverbindung, befestigt werden.
Dadurch, dass die Sammelleitungen zunächst zusammengeführt
werden, ist es möglich, über nur einen Anschluss
die Hochdruckpumpe mit dem Common Rail System zu verbinden. Es wird also
lediglich die Sammelleitung mit dem Rail des Common Rail Systems
verbunden. Vorzugsweise ist die Länge der Hochdruckleitungen
zwischen der Verdichtereinheit und dem Verbindungsstück
im Wesentlichen gleich lang. Dadurch wird ein unregelmäßiges Druckprofil
innerhalb der Sammelleitung vermieden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Verdichtereinheit
und/oder die Hochdruckleitung über mindestens ein sich
in das Gehäuse erstreckendes Verbindungselement mit dem
Gehäuse verbunden, wobei das Verbindungselement eine höhere
Festigkeit als das Gehäuse aufweist. Das Verbindungselement
kann insbesondere in dem Gehäuse zumindest teilweise eingebettet sein.
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Insbesondere
weist die Verdichtereinheit einen Zylinderkopf auf, der über
das Verbindungselement mit dem Gehäuse befestigt ist. Dadurch
kann der Zylinderkopf mit dem Gehäuse, auch bei einer Materialpaarung
Stahl/Kunststoff, sicher verbunden werden.
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Das
Verbindungselement weist insbesondere ein Gewinde, vorzugsweise
Innengewinde auf. Dadurch kann eine sichere Schraubverbindung gewährleistet
werden, auch wenn das Gehäuse ein für Stahlschrauben
beziehungsweise Stahlmuttern ungünstiges Material, wie
beispielsweise Kunststoff, Aluminium oder Magnesium aufweist.
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Besonders
bevorzugt weist das Verbindungselement einen Ringanker mit mindestens
zwei Verbindungsstellen auf. Dadurch ist es möglich, genau
ein Verbindungselement zur Verbindung mit der jeweiligen Verdichtereinheit
in dem Gehäuse vorzusehen, beispielsweise in das Gehäuse
einzuspritzen, und mehrere Verbindungsmöglichkeiten zwischen dem
Verbindungselement und der Verdichtereinheit bereitzustellen. Durch
den Ringanker, der vorzugsweise den Zylinder der Verdichtereinheit
kreisringförmig, insbesondere koaxial umgibt, kann eine
hohe Haltekraft bereitgestellt werden, so dass die Verdichtereinheit
beim Betrieb sich nicht von dem Gehäuse losreißen
kann.
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Besonders
bevorzugt ist das Gehäuse durch ein Herstellverfahren hergestellt,
bei dem das Material des Gehäuses fließfähig
vorliegt, und das Verbindungselement bei der Herstellung des Gehäuses
unverlierbar zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet
ist. Dadurch ist es möglich, dem Verbindungselement eine
komplizierte Form zu geben, die eine besonders feste insbesondere
formschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement
und dem Gehäuse zulässt. Das Gehäuse
kann bei der Herstellung, beispielsweise beim Gießen und/oder beim
Spritzguss, das Verbindungselement umschließen und auch
in Hohlräume und Zwischenabständen des Gewindeimplantats
eindringen. Dies führt zu einer besonders festen formschlüssigen
Verbindung des Verbindungselements mit dem Gehäuse.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Verbindungselement über
eine selbstschneidende Schraube mit dem Gehäuse verbunden.
Das Verbindungselement kann dadurch vergleichbar zu einer Holzschraube
nachträglich in das Gehäuse verliersicher eingebracht
werden. Durch die Nut zwischen den Gewindeflanken ergibt sich eine
hohe Haltefläche zwischen dem Verbindungselement und dem Gehäuse,
so dass eine sichere Befestigung der Verdichtereinheit mit dem Gehäuse
gewährleistet ist.
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Vorzugsweise
weist das Verbindungselement innerhalb des Gehäuses mindestens
eine Haltefläche mit einem Flächenanteil in axialer
Richtung des Verbindungselements auf. Wenn beim Be trieb der Verdichtereinheit
aufgrund des hohen Drucks innerhalb der Verdichtereinheit an dem
Verbindungselement gezogen wird, ergibt sich über die Haltefläche eine
hinreichend hohe Haltekraft, welche die Verdichtereinheit sicher
hält. Die Haltefläche wird insbesondere durch
Hinterschneidungen ausgebildet, welche die auf das Verbindungselement
ausgeübten Kräfte auf eine größere
Fläche innerhalb des Gehäuses insbesondere Formschlüssig
verteilen.
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Insbesondere
weist das Verbindungselement innerhalb des Gehäuses einen
gewundenen Haltedorn und/oder abgespreizte Haltearme und/oder einen
Halteabsatz auf. Dadurch ergeben sich innerhalb des Gehäuses
Hinterschneidungen, aufgrund dessen auf das Verbindungselement wirkende
Kräfte auf einen größeren Bereich des
Gehäuses verteilt werden können. Dies erleichtert
es, maximal zulässige Spannungen innerhalb des Gehäuses einzuhalten
und für das Gehäuse ein Material mit vergleichsweise
geringen maximal zulässigen Spannungen zu wählen.
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Vorzugsweise
sind die einzelnen Außenflächen, insbesondere
die Haltefläche, über einen Radius miteinander
verbunden. scharfe Kanten werden dadurch vermieden, so dass die
Kerbwirkung des in das Gehäuse eingelassenen Verbindungselements reduziert
ist. Die bei dem Verbindungselement auftretenden Kanten sind also
nicht nur entgratet sondern gerundet. Beispielsweise ist das Verbindungselement
durch Schmieden hergestellt, so dass die gerundeten Übergänge
zwischen den einzelnen Außenflächen bereits durch
die Schmiedeform vorgegeben werden können.
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Besonders
bevorzugt ist mit dem Gehäuse eine mit der Verdichtereinheit
verbundene Vordruckpumpe, insbesondere eine Gerotorpumpe, über
ein Verbindungselement befestigt. Die Befestigung der Vordruckpumpe
kann hierbei wie vorstehend anhand der Verdichtereinheit erläutert
mit dem Gehäuse verbunden sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine schematische perspektivische Rückansicht einer erfindungsgemäßen
Hochdruckpumpe,
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2:
eine schematische perspektivische Draufsicht der Hochdruckpumpe
aus 1,
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3:
eine schematische Schnittansicht eines Verbindungselements in einer
ersten Ausführungsform,
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4:
eine schematische Schnittansicht eines Verbindungselements in einer
zweiten Ausführungsform,
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5:
eine schematische Schnittansicht eines Verbindungselements in einer
dritten Ausführungsform,
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6:
eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbindungselements
in einer vierten Ausführungsform und
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7:
eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbindungselements
in einer fünften Ausführungsform.
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Bei
der in 1 und 2 dargestellten Hochdruckpumpe 10 kann
Kraftstoff über einen Einlauf 12 zu einer Vordruckpumpe 14 gelangen.
In der Vordruckpumpe 14 kann der Kraftstoff beispielsweise auf
einen Druck von 2 bis 10 bar verdichtet werden. Dieser Druck reicht
aus, um die beweglichen Teile innerhalb der Hochdruckpumpe 10 mit
Kraftstoff zu schmieren. Von der Vordruckpumpe 14 gelangt
dann der Kraftstoff über innerhalb eines Gehäuses 16 vorgesehene
Zulaufleitungen zu zwei Verdichtereinheiten 18. Alternativ
kann auch nur eine Verdichtereinheit 18 oder drei und mehr
Verdichtereinheiten 18 vorgesehen sein. Die Verdichtereinheiten 18 weisen jeweils einen
Zylinder auf, in dem der Kraftstoff mit Hilfe eines Kolbens verdichtet
wird. Der Kolben wird von einem innerhalb des Gehäuses 16 angeordneten Excenter
oder Rollenstößel betätigt, der von einer Antriebswelle 20 angetrieben
wird. Die Verdichtereinheiten 18 weisen jeweils einen Zylinderkopf 22 auf, der
aus einem rostfreien Stahl hergestellt sein kann, um den bei der
Verdichtung entstehenden Drücken von 1 000 bis 2 000 bar
oder 2 500 bar und höheren Drücken standhalten
zu können. Der auf diesem Hochdruck verdichtete Kraftstoff
gelangt über einen mit dem Zylinderkopf 22 außerhalb
des Gehäuses 16 verbundene Hochdruckleitung 24 zu
einem Verbindungsstück 26, das in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel als T-Stück ausgeführt
ist. An das Verbindungsstück 26 kann sich eine
Sammelleitung 28 anschließen, die zu einem Common
Rail System führt, wo der Kraftstoff über Einspritzdüsen
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
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Da
der Hochdruck erst in den Zylinderköpfen 22 erzeugt
wird, und deswegen im dem Gehäuse 16 kein Hochdruck
vorkommt, ist das Gehäuse 16 aus Kunststoff hergestellt.
Das Gehäuse 16 ist bodenseitig durch einen Deckel 30 verschlossen,
der aus Aluminium oder Kunststoff hergestellt sein kann. Im Kopfbereich
ist das Gehäuse 16 durch ein Vordruckpumpengehäuse 32 verschlossen,
das Teil der Vordruckpumpe 14 ist. Das Vordruckpumpengehäuse 32,
der Deckel 30 und/oder insbesondere die Zylinderköpfe 22 können über
mindestes eine Schraube 34 mit einem in dem Gehäuse 16 verliersicher
eingespritztem Verbindungselement 36 verbunden sein.
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Das
in 3 dargestellte Verbindungselement 36 weist
eine Sackbohrung 38 auf, die mit einem Innengewinde 40 versehen
ist. Über das Innengewinde 40 kann die Schraube 34 befestigt
werden. Das Verbindungselement 36 weist ferner abgespreizte
Haltearme 42 auf, die eine Haltefläche 44 mit
einem Flächenanteil in axialer Richtung des Verbindungselements 36 bereitstellen. Über
die Halteflächen 44 kann eine an einem Verbindungselement 36 angreifende
Kraft auf einem größeren Bereich des Gehäuses 16 verteilt
werden, so dass auch größere Kräfte über
das Gehäuse 16 abgetragen werden können.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Verbindungselements 36 weist das Verbindungselement 36 einen
gewundenen Haltedorn 46 auf. Durch den gewundenen Haltedorn 46 wird ebenfalls
eine Haltefläche 44 mit einem Flächenanteil
in axialer Richtung des Gewindeimplantats 36 bereitgestellt.
Im Vergleich zu dem in 3 dargestellten Verbindungselement 36 wird
bei dem in 4 dargestellten Verbindungselement 36 eine
angreifende Kraft in tiefere Bereiche des Gehäuses 16 abgetragen.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Verbindungselements 36 weist das Verbindungselement 36 einen
Halteansatz 48 auf, durch den eine Hinterschneidung ausgebildet
wird, um eine Haltefläche 44 mit einem Flächenanteil
in axialer Richtung des Verbindungselements 36 auszubilden.
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Das
in 6 dargestellte Verbindungselement 36 weist
im vergleich zu dem in 5 dargestellten Verbindungselement 36 einen
im Wesentlichen kugelförmigen Halteansatz 48 auf.
Ferner ist die Haltefläche 44 gerundet ausgeführt.
Dadurch ergibt sich eine besonders geringe Kerbwirkung im Bereich des
Halteansatzes 48 und der Haltefläche 44.
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Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Verbindungselements 36 weist das Verbindungselement 36 einen
Ringanker 50 auf, der mehrere Verbindungsstellen 52 bereitstellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Ringanker 50 an
den Verbindungsstellen 52 Durchgangsbohrungen auf, die
mit einem Innengewinde 40 versehen sind. Über
die Streckenbereiche zwischen zwei benachbarten Verbindungsstellen 52 wird
eine Haltefläche 44 bereitgestellt, um die an
dem Verbindungselement angreifenden Kräfte auf einen größeren
Bereich innerhalb des Gehäuses 16 zu verteilen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ringanker 50 kreisringförmig
ausgestaltet, so dass der Ringanker 50 koaxial zu dem Zylin der
der Verdichtereinheit 18 angeordnet werden kann. Der Ringanker 50 kann insbesondere
eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut aufweisen, um zusätzliche
Hinterschneidungen auszubilden und den Formschluss zu erhöhen.
Ferner kann der Ringanker 50 einen Halteansatz aufweisen
und/oder im Querschnitt angeschrägt, beispielsweise im
Wesentlichen trapezförmig, ausgeführt sein, um
Hinterschneidungen auszubilden.
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- 10
- Hochdruckpumpe
- 12
- Einlauf
- 14
- Vordruckpumpe
- 16
- Gehäuse
- 18
- Verdichtereinheit
- 20
- Antriebswelle
- 22
- Zylinderkopf
- 24
- Hochdruckleitung
- 26
- Verbindungsstück
- 28
- Sammelleitung
- 30
- Deckel
- 32
- Vordruckpumpengehäuse
- 34
- Schraube
- 36
- Verbindungselement
- 38
- Sackbohrung
- 40
- Innengewinde
- 42
- Haltearm
- 44
- Haltefläche
- 46
- Haltedorn
- 48
- Haltabsatz
- 50
- Ringanker
- 52
- Befestigungsstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO 178 [0009]
- - ISO 527 [0009]
- - ISO 604 [0009]